船形鏟式蔬菜種植開(kāi)溝器的設(shè)計(jì)

戴有華　姜寬舒　王平會(huì)

摘要根據(jù)開(kāi)蔬菜種植溝的農(nóng)藝要求，創(chuàng)新了船形鏟式開(kāi)溝器的結(jié)構(gòu)和工作原理，確定了入土角、入土隙角、鏟頭張角、鏟刃最小半徑、船頭前傾角、鏟頭長(zhǎng)度、船身長(zhǎng)度為作業(yè)性能影響參數(shù)。在根據(jù)性能參數(shù)值繪制開(kāi)溝器的型線圖的基礎(chǔ)上，用UG軟件設(shè)計(jì)了一種船形鏟式蔬菜種植開(kāi)溝器，并對(duì)開(kāi)溝器進(jìn)行了作業(yè)曲面的光順性檢查改進(jìn)和開(kāi)溝過(guò)程中受力性能的有限元分析優(yōu)化，最后3D打印出開(kāi)溝器模型以供評(píng)測(cè)和指導(dǎo)量產(chǎn)。

關(guān)鍵詞 蔬菜種植；開(kāi)溝器；船形鏟式；有限元分析；UG；3D打印

中圖分類(lèi)號(hào) S223.1⁺9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 0517-6611（2018）11-0174-03

近年來(lái)，江蘇出現(xiàn)了大量在設(shè)施大棚里開(kāi)多條種植溝，并在溝內(nèi)種植青椒、甘藍(lán)等蔬菜的做法。在溝內(nèi)種植蔬菜的方法能提早蔬菜種植上市供應(yīng)的時(shí)間，且有利于節(jié)水灌溉和施肥。同時(shí)，隨著蔬菜生產(chǎn)的人工成本劇增，使得以農(nóng)機(jī)科技創(chuàng)新為手段、采用機(jī)械化生產(chǎn)成為蔬菜生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)變的必然選擇。因此，研發(fā)設(shè)施蔬菜種植開(kāi)溝機(jī)已經(jīng)成為迫切需求。而開(kāi)溝器作為設(shè)施蔬菜種植開(kāi)溝機(jī)的關(guān)鍵部件，其形狀的優(yōu)劣直接影響開(kāi)溝作業(yè)的入土能力、起土能力、回土能力、開(kāi)溝阻力和溝形穩(wěn)固等性能。為此，筆者針對(duì)設(shè)施蔬菜溝內(nèi)種植的農(nóng)藝要求，設(shè)計(jì)一種船形鏟式蔬菜種植開(kāi)溝器。

1開(kāi)溝器的結(jié)構(gòu)和工作原理

船形鏟式蔬菜種植開(kāi)溝器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，由鏟頭、鏟刃、船頭側(cè)板、船身側(cè)板、底板、筋板、立柱和尾板組成。鏟頭、鏟刃、船身側(cè)板和船頭側(cè)板是由一塊鋼板沖壓而成的復(fù)雜曲面，然后，與底板、尾板、筋板、立柱焊接在一起。

鏟頭呈近似三棱錐形，主要是便于切入土中，鏟破土層。鏟刃是一條處于正中間的彎曲脊線，用于將推升而來(lái)的碎土塊分向兩側(cè)邊。船頭側(cè)板與水平面呈傾壓之勢(shì)，將過(guò)高的土塊壓向溝的兩邊。船身側(cè)板近似于傾斜的平面，用于擠壓溝形側(cè)面。底板呈前端下傾、后端逐漸水平的形狀，便于從溝底滑過(guò)并擠壓溝形底面。筋板和尾板起到增強(qiáng)開(kāi)溝器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的作用。立柱用于開(kāi)溝器與開(kāi)溝機(jī)機(jī)架的聯(lián)接。

開(kāi)溝器平直向前運(yùn)動(dòng)時(shí)，土層經(jīng)鏟頭戳破，然后被鏟刃分向兩側(cè)，初步形成種植溝，推得過(guò)高的碎土塊再被船頭側(cè)板壓向溝的兩邊，最后在船身側(cè)板和底板的擠壓作用下，形成穩(wěn)固的溝形。

2開(kāi)溝器的關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)良好切土和穩(wěn)固溝形的功能，確定開(kāi)溝器的關(guān)鍵參數(shù)有：入土角、入土隙角、鏟頭張角、鏟刃最小半徑、船頭前傾角、鏟頭長(zhǎng)度、船身長(zhǎng)度，如圖2所示?，F(xiàn)以開(kāi)挖溝底寬100mm、溝頂寬200mm、溝深70mm的梯形種植溝為例，設(shè)計(jì)開(kāi)溝器的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

2.1入土角 入土角越小，鏟頭強(qiáng)度降低，使用壽命越短；入土角越大，土層易抬高翻土，鏟土阻力越大。入土角沿著鏟刃上升方向稍有變大，可加速將切開(kāi)的土層平緩?fù)聘?。根?jù)實(shí)際情況，取入土角α=30°。

2.2入土隙角 入土隙角β的存在有利于鏟頭入土。入土隙角越小，底板與土層的摩擦阻力越大，會(huì)加速底板的磨損；入土隙角越大，易造成土壤回落到溝底，并且使溝底不平。入土隙角一般為5°～10°，根據(jù)實(shí)際情況，取入土隙角β=8°。

2.3鏟頭張角 鏟頭張角越小，鏟頭長(zhǎng)度就越長(zhǎng)，開(kāi)溝器的結(jié)構(gòu)不夠緊湊；鏟頭張角越大，入土擾動(dòng)土層范圍越大，入土阻力就越大。根據(jù)實(shí)際情況，取鏟頭張角γ=30°。

2.4鏟刃最小半徑 鏟刃下部的曲率半徑大于鏟刃中部的曲率半徑，將有利于土壤從鏟頭脫落。鏟刃最小曲率半徑出現(xiàn)在鏟刃中部，最小曲率半徑越小，脫土能力越強(qiáng)；最小曲率半徑越大，分土能力越好。經(jīng)試驗(yàn)，取鏟刃最小半徑r=80mm。

2.5船頭前傾角 船頭前傾角的存在，有利于將沿著鏟頭推高的碎土塊壓回落下、滑落至溝兩側(cè)。參考船舶船首傾斜角度，并根據(jù)實(shí)際情況，取λ=20°。

2.6鏟頭長(zhǎng)度 鏟頭長(zhǎng)度l₁越長(zhǎng)，鏟頭起土幅度就越大，前進(jìn)阻力就越小。在入土角、船頭前傾角、開(kāi)溝器高度的限制下，鏟頭長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)，會(huì)導(dǎo)致船頭前傾長(zhǎng)度太短，造成對(duì)推高的土塊下壓的作用減弱。為使入土角與船頭前傾角的交匯點(diǎn)在溝頂面略高處，通過(guò)作圖求解得，l₁=152mm。

2.7船身長(zhǎng)度船 身長(zhǎng)度l₂越長(zhǎng)，對(duì)開(kāi)好的種植溝的擠壓穩(wěn)形作用越好；船身長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)，會(huì)使開(kāi)溝器結(jié)構(gòu)過(guò)長(zhǎng)，使用不方便。經(jīng)試驗(yàn)，取l₂=330mm。

3開(kāi)溝器曲面的型線設(shè)計(jì)

船形鏟式開(kāi)溝器曲面尚無(wú)成熟的設(shè)計(jì)方法，但可以參考船舶設(shè)計(jì)制造中，以船體型線圖來(lái)表達(dá)船體幾何形狀的方法。船體型線圖是在3個(gè)相互垂直的投影面上，以船體型表面的截交線、投影線和最大外形輪廓線來(lái)表示船體外形的圖樣。型線的設(shè)計(jì)方法很多，該研究采用速度快、精度高的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方法。

為能描繪船形鏟式開(kāi)溝器的曲面，開(kāi)溝器曲面型線要包括縱剖面輪廓線、底面輪廓線、土線面輪廓線、頂面輪廓線，如圖3所示。首先，根據(jù)入土角、入土隙角、鏟刃最小半徑、船頭前傾角及船身長(zhǎng)度、開(kāi)溝器高度等參數(shù)以直線或圓弧繪制縱剖面輪廓線，并通過(guò)倒圓角等進(jìn)行輪廓線的光滑聯(lián)接。然后，根據(jù)鏟頭張角、溝底寬度、船身長(zhǎng)度等參數(shù)繪制底面輪廓線，并進(jìn)行光滑聯(lián)接和調(diào)整底面輪廓線與縱剖面輪廓線尖頂點(diǎn)重合。之后，根據(jù)溝側(cè)面切斜要求、溝頂寬度、船身長(zhǎng)度等參數(shù)繪制土線面輪廓線，同樣要加以光滑聯(lián)接和對(duì)齊。最后，根據(jù)開(kāi)溝器頂部寬度要求、船頭傾斜要求、船身長(zhǎng)度等參數(shù)繪制頂面輪廓線，并進(jìn)行光滑聯(lián)接和對(duì)齊。在型線繪制過(guò)程中，可以對(duì)輪廓線進(jìn)行適當(dāng)修正，以提高開(kāi)溝器的破土、分土和擠土性能。

4開(kāi)溝器的三維設(shè)計(jì)

該研究采用UG軟件進(jìn)行船形鏟式開(kāi)溝器的三維建模，為后續(xù)的仿真分析等提供基礎(chǔ)模型。UG軟件是一款集成的CAD/CAE/CAM系統(tǒng)軟件，具有強(qiáng)大的三維造型、仿真分析和數(shù)控編程能力，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車(chē)、通用機(jī)械、造船等工業(yè)領(lǐng)域。創(chuàng)建開(kāi)溝器的三維模型時(shí)，可以先創(chuàng)建它的曲面模型，再進(jìn)一步創(chuàng)建實(shí)體模型。

船形鏟式開(kāi)溝器的表面由形成鏟頭和船身的一張復(fù)雜曲面、底部曲面、尾部平面構(gòu)成。在創(chuàng)建這些曲面時(shí)，首先，根據(jù)開(kāi)溝器的型線圖，在UG軟件中采用[插入]|[曲線]命令，繪制開(kāi)溝器的空間線架，并直線聯(lián)接尾部平面的頂點(diǎn)，再對(duì)曲線進(jìn)行光順和對(duì)齊。然后，采用[插入]|[網(wǎng)格曲面]|[通過(guò)曲線網(wǎng)格]命令，創(chuàng)建鏟頭船身曲面；采用[插入]|[設(shè)計(jì)特征]|[拉伸]命令，創(chuàng)建底部曲面；采用[插入]|[曲面]|[有界平面]命令，創(chuàng)建尾部平面。最后，通過(guò)[插入]|[修剪]|[修剪片體]命令，修剪得到船形鏟式開(kāi)溝器的表面，如圖4所示。

為提高曲面的光順程度，可以檢查曲面模型是否有褶皺，以及通過(guò)[分析]|[形狀]|[反射]命令，借助反射條紋進(jìn)一步檢查曲面是否夠光順。如果曲面不夠光順，可以截取曲面得到輔助線，割去曲面上不夠光順的部分，同時(shí)調(diào)整曲線的光順程度和局部位置，重構(gòu)并補(bǔ)上新的曲面，重復(fù)割補(bǔ)操作直至整個(gè)曲面光順為止。光順后的開(kāi)溝器曲面的反射效果，如圖5所示。

為創(chuàng)建船形鏟式開(kāi)溝器的三維實(shí)體模型，先通過(guò)[有界平面]命令補(bǔ)上開(kāi)溝器頂部平面，再采用[插入]|[組合]|[縫合]命令，將封閉的曲面模型縫合為實(shí)體模型，之后，對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行倒圓角和抽殼操作，最后通過(guò)[插入]|[設(shè)計(jì)特征]|[拉伸]命令，創(chuàng)建筋板和立柱，建模完成后得到的開(kāi)溝器三維模型如圖6所示。

5開(kāi)溝器的受力分析

對(duì)機(jī)械工作情況進(jìn)行仿真分析，可以有效提高設(shè)計(jì)的效率和合理性，因而，仿真分析方法在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域也得到了廣泛應(yīng)用。在UG軟件的高級(jí)仿真環(huán)境下，新建開(kāi)溝器三維實(shí)體模型的FEM和仿真文件，并對(duì)模型進(jìn)行刪除小倒角等理想化操作，以提高仿真分析的解算速度。然后，設(shè)置開(kāi)溝器的材料為Steel，設(shè)置單元類(lèi)型為CTETRA（10）、單元大小為10mm，進(jìn)行3D四面體網(wǎng)格劃分。再設(shè)置開(kāi)溝器中兩根立柱的上頂面為固定約束面，設(shè)置鏟頭和船身所在的一張復(fù)雜曲面為受到來(lái)自正前方的開(kāi)溝阻力為1000N、受到周邊泥土對(duì)其造成的擠壓力10N/mm²，選用NXNAS-TRAN求解器和SESTATIC101-單約束解算方案進(jìn)行求解。解算完成后得到分析結(jié)果，如圖7所示。從圖7a可知，開(kāi)溝阻力較大時(shí)，由于立柱也比較長(zhǎng)，會(huì)造成開(kāi)溝器在前進(jìn)方向上存在較大的位移；從圖7b可知，開(kāi)溝器只在立柱與筋板結(jié)合處的上部受到較大的應(yīng)力。由此可見(jiàn)，開(kāi)溝器的強(qiáng)度是足夠的，但開(kāi)溝阻力較大時(shí)，其剛度顯得不足，所以，需要先旋耕碎土，再進(jìn)行開(kāi)溝作業(yè)。

6開(kāi)溝器的3D打印

為了快速獲得船形鏟式開(kāi)溝器的實(shí)物樣件，該研究采用FDM型3D打印技術(shù)制造開(kāi)溝器。3D打印技術(shù)為農(nóng)機(jī)研發(fā)開(kāi)拓了設(shè)計(jì)思路，其在農(nóng)機(jī)制造中的應(yīng)用也勢(shì)在必行。首先，將uG軟件里的開(kāi)溝器三維模型轉(zhuǎn)換成STL格式，再導(dǎo)入到Clira軟件里進(jìn)行切片、生成G代碼，然后，在多歌打印機(jī)上裝好ABS塑料絲，并設(shè)置尺寸分辨率為0.1mm，加工速度50mm/s，進(jìn)行脫機(jī)打印。打印完成并經(jīng)過(guò)打磨處理的船形鏟式開(kāi)溝器樣件，如圖8所示。

7結(jié)論

針對(duì)新出現(xiàn)的溝內(nèi)種植蔬菜的農(nóng)藝要求，以型線圖繪制為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)出了一種船形鏟式蔬菜種植開(kāi)溝器。通過(guò)研究使用合適的入土角、入土隙角、鏟頭張角等關(guān)鍵參數(shù)，提升了開(kāi)溝器的破土、分土及穩(wěn)固溝形的性能。利用有限元分析方法，對(duì)開(kāi)溝器在作業(yè)過(guò)程中受到開(kāi)溝阻力和溝壁壓力作用進(jìn)行分析得出，開(kāi)溝器的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是足夠的，但當(dāng)立柱較長(zhǎng)時(shí)，在種植溝方位線上會(huì)有一些向后偏移的變形。通過(guò)3D打印制造出了開(kāi)溝器的樣件，可供評(píng)測(cè)、指導(dǎo)量產(chǎn)開(kāi)溝器。所設(shè)計(jì)的船形鏟式開(kāi)溝器達(dá)到了高效開(kāi)蔬菜種植溝的要求，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，具有良好的推廣應(yīng)用價(jià)值。